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    O Estado Sólido da Matéria

    O hábito dos alquimistas medievais de ocultar sua ciência sob o véu da linguagem alegórica conferiu a seus textos um sentido poético. Para descrever o processo físico da sublimação - conversão de uma substância sólida em gás - usavam a imagem de uma ave que alça vôo para o céu.

    Estado sólido é um dos três estados básicos da matéria que, à diferença do estado líquido e do gasoso, se caracteriza por uma relativa ordenação espacial de seus átomos numa estrutura de três dimensões.

    Características gerais - Os corpos sólidos apresentam uma série de propriedades diferenciais com relação a líquidos e gases. É o caso de sua capacidade para suportar tensões, tanto no sentido paralelo quanto no perpendicular a uma de suas superfícies. A resistência oferecida a tais forças antes de chegar ao ponto de deformação ou ruptura depende, contudo, da natureza dos átomos que conformam a substância, bem como da forma como se ordenam e das forças de ligação atuantes entre suas moléculas.

    A evolução de uma substância para o estado sólido a partir de sua forma líquida ou gasosa produz-se habitualmente por esfriamento ou aumento da pressão externa. A passagem do estado líquido ao sólido denomina-se solidificação ou cristalização, e a mudança inversa de estado recebe o nome de fusão. Ambos os processos envolvem uma variação intrínseca e idêntica de equilíbrio energético, constante para cada material e conhecida como calor de fusão. A evolução direta de sólido a gás, ou sublimação, realiza-se a baixas pressões. Em condições ambientais de pressão, a mudança de fases é normalmente gradual, de gás para líquido e de líquido para sólido.

    Classificação dos sólidos - Geralmente, os sólidos se classificam em dois grandes grupos: cristalinos, se têm ordenação interna uniforme; e não-cristalinos, ou amorfos, quando sua estrutura interior se assemelha mais à dos líquidos, carente de uma rede de cristalização.

    Sólidos cristalinos - No processo de solidificação dos sólidos cristalinos, os átomos ou moléculas fundamentais que os compõem se dispõem espacialmente numa forma geométrica ordenada. Os microcristais básicos, células componentes das redes cristalinas do sólido, assumem formas cúbicas, rômbicas, tetragonais, hexagonais ou prismáticas irregulares. O retículo espacial, ou rede, unidade do sistema de cristalização do sólido, repete-se indefinidamente nas três direções do espaço até alcançar suas bordas exteriores. Dessa forma, ao fraturar-se um sólido de cristalização perfeita, deve reproduzir-se em cada um de seus fragmentos a geometria do corpo no mesmo sistema cristalino.

    Os átomos ou moléculas do cristal situam-se ou no vértice de cada retículo, ou no centro do retículo, ou ainda no centro de cada uma de suas faces. Essa disposição interna foi determinada mediante observação a partir da difração dos raios X, ou seja, do desvio sofrido pelos feixes dessa natureza que se fazem incidir sobre os sólidos.

    A partir de uma perspectiva geral, distinguem-se quatro tipos de sólidos cristalinos: (1) metais e ligas metálicas; (2) cristais iônicos; (3) cristais covalentes; e (4) cristais moleculares. Os metais e ligas metálicas se caracterizam principalmente por apresentarem elevada condutividade da eletricidade e do calor. Essas características se explicam pela relativa liberdade de movimentos dos elétrons (partículas elementares de carga negativa) que ficam livres na rede ao se configurarem as ligações entre os átomos do metal.

    Os cristais iônicos são agregados de íons, átomos ou moléculas que, durante transformações químicas, perderam ou capturaram elétrons e ficaram eletricamente carregados. Os íons positivos e negativos se distribuem de forma intercalada, razão pela qual as ligações resultantes se fundamentam nas forças compensadas de atração eletrostática existente entre eles. A rede dos cristais iônicos constitui um sal cuja condutividade elétrica e calorífica normalmente aumenta em relação direta com a temperatura.

    Os cristais covalentes, como o diamante, o silício e o germânio, apresentam alta dureza e, freqüentemente, brilho. Ao contrário dos cristais iônicos ou salinos, comportam-se em geral como isolantes elétricos devido à ausência parcial ou total de cargas elétricas em sua estrutura.

    Os cristais moleculares são substâncias que procedem de fases gasosas de acentuada estabilidade (como o dióxido de carbono, por exemplo). Exemplos são o hélio seco e o dióxido de carbono solidificado, as formas sólidas dos gases nobres (argônio, criptônio e xenônio) e numerosos compostos orgânicos constituídos basicamente de átomos de carbono e hidrogênio.

    Alguns cristais moleculares e covalentes, assim como certas ligas metálicas e sais iônicos, são substâncias isolantes, não-condutoras de corrente elétrica a baixas temperaturas. Ao aumentar-se a temperatura acima de certo valor, contudo, sua condutividade aumenta sensivelmente. Esses materiais, que constituem intrinsecamente conectores e interruptores elétricos, em função da temperatura a que são submetidos, recebem o nome de semicondutores. Desde a segunda metade do século XX, esses materiais alcançaram importância transcendental na tecnologia eletrônica e cibernética.

    Sólidos amorfos - A ausência de um padrão de cristalização caracteriza os chamados sólidos não-cristalinos ou amorfos. Entre eles destacam-se os plásticos, os vidros, os sabões, as parafinas e muitos outros compostos orgânicos e inorgânicos. A disposição interna dos componentes materiais dos sólidos amorfos é em grande parte aleatória, semelhante à dos líquidos, que mantêm fixas, contudo, as distâncias de suas ligações moleculares.

    A propriedade mais destacada dos sólidos amorfos é a falta de um ponto fixo de fusão, de modo que sua passagem para o estado líquido se verifica ao longo de um intervalo de temperaturas durante o qual adotam o chamado estado plástico. Algumas das aplicações dos vidros e dos materiais plásticos derivam de sua qualidade de serem facilmente moldáveis quando submetidos a aumentos de temperatura.

    Campos de estudo - A física do estado sólido se refere ao estudo dos materiais sólidos cristalinos, que apresentam maior facilidade de estudo, tanto teórico quanto experimental, pela presença de ordem no arranjo de seus átomos, íons ou moléculas. Tem como objetivo explicar e prever as diversas propriedades macroscópicas dos materiais cristalinos - térmicas, elétricas, magnéticas, ópticas etc. - , a partir da aplicação das leis da física a seus constituintes microscópicos. Os materiais densos não-cristalinos não se incluem nesse estudo, pois são considerados mais semelhantes aos líquidos. O estudo global dos materiais sólidos cristalinos e amorfos é às vezes chamado de física da matéria condensada. Essa área de estudo parte, em geral, dos métodos e modelos desenvolvidos na física do estado sólido, modificando-os e adaptando-os de modo adequado.

     

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